教學(xué)案例《通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力》

梁卉

【教材分析】

通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力是磁場(chǎng)一章的教學(xué)重點(diǎn)，也是這一章的核心，也能為后面學(xué)習(xí)帶電粒子受到的洛倫茲力和電磁感應(yīng)奠定良好基礎(chǔ)。通過前面的學(xué)習(xí)我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了電流或磁體間的相互作用是通過磁場(chǎng)發(fā)生的，也能夠借助安培定則判斷出電流周圍的磁場(chǎng)。本節(jié)內(nèi)容就是在學(xué)習(xí)了這些磁場(chǎng)的基本知識(shí)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)探究和邏輯推理的方法弄清磁場(chǎng)對(duì)電流的作用方向。安培力、電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度三者的空間關(guān)系需要建立起三維立體模型，所以在實(shí)驗(yàn)中需要帶領(lǐng)學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)探究的方法，鍛煉空間想像能力。在安培力方向的判斷中，電流方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向不論是否垂直，安培力都垂直于電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度所組成的平面，學(xué)生容易混淆，可以從檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中受力這種一維模型中進(jìn)行適當(dāng)過度。同時(shí)為了使學(xué)生能看懂立體圖，熟悉各種角度的側(cè)視、俯視和剖面圖，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?xùn)練。

【學(xué)情分析】

初高中階段學(xué)生已經(jīng)學(xué)過一些磁場(chǎng)的基本知識(shí)，比如磁感線特點(diǎn)、電流周圍有磁場(chǎng)、判斷通電螺線管周圍的磁場(chǎng)，能夠建立起適當(dāng)?shù)目臻g模型。而且在學(xué)習(xí)電場(chǎng)時(shí)我們就通過引入試探電荷的方法建立了一維模型，在這一節(jié)中我們需要引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究加上引導(dǎo)，從一維向三維空間過渡，建立起正確分析安培力、電流方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系的三維模型。并且引導(dǎo)學(xué)生能對(duì)安培力進(jìn)行定量計(jì)算，體會(huì)從等效替代和從特殊到一般的思維方法，由簡(jiǎn)到難層層遞進(jìn)。

【教學(xué)目標(biāo)】

知識(shí)與技能：

1.知道安培力的概念，掌握安培力的計(jì)算公式

2.知道左手定則的內(nèi)容，并且能用左手定則準(zhǔn)確判斷安培力方向

過程與方法：

1.通過演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察、記錄和分析現(xiàn)象，熟練掌握控制變量法，培養(yǎng)空間思維能力。

2.通過合作交流，學(xué)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)歸納。

3.通過對(duì)安培力的推導(dǎo)，體會(huì)等效替代和特殊到一般的科學(xué)思維方法

情感態(tài)度與價(jià)值觀：

1.從探究式教學(xué)過程中體驗(yàn)合作學(xué)習(xí)的樂趣

2.從對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的科學(xué)歸納中，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

【教學(xué)重難點(diǎn)】

重點(diǎn)：安培力的大小和方向

難點(diǎn)：安培力、電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度三者方向的關(guān)系建立

【教學(xué)方法】

演示、探究、討論歸納、講授、練習(xí)

【教學(xué)過程】

一、引入

演示實(shí)驗(yàn)一：將一塊蹄形磁鐵慢慢地接近發(fā)光的白熾燈泡，可以看到燈絲會(huì)顫動(dòng)起來。燈絲受到了磁場(chǎng)施加的力，這種力是安培力嗎？

學(xué)生回答：是，人們把通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力稱為安培力。

這節(jié)課我們要進(jìn)一步研究安培力的方向以及安培力的大小問題。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)物理情境，引起學(xué)生的興趣。

二、新課教學(xué)

（一）安培力方向

演示實(shí)驗(yàn)二：閉合電路，請(qǐng)學(xué)生觀察導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向

提問1：電流元受力方向與磁場(chǎng)和導(dǎo)線方向在一條直線上嗎？

學(xué)生回答：不在

提問2：那在一個(gè)平面內(nèi)嗎？

學(xué)生回答：不在

提問3：那我們?cè)趺创_定安培力的方向呢？需要建立什么樣的坐標(biāo)呢？

學(xué)生討論回答：通過實(shí)驗(yàn)觀察記錄三者的方向，然后總結(jié)它們方向有什么關(guān)系。既然不在一條直線上，而且也不在同一平面內(nèi)，那就建立三維坐標(biāo)。

演示實(shí)驗(yàn)三：按照右圖①改變導(dǎo)線中電流的方向，觀察受力方向。②上下交互磁場(chǎng)的位置以改變磁場(chǎng)的方向，觀察受力方向。

記錄現(xiàn)象

提問4：請(qǐng)大家討論并歸納一下安培力的方向和電流元方向、磁場(chǎng)方向之間有什么關(guān)系？

學(xué)生回答：安培力的方向和電流方向和磁場(chǎng)方向都有關(guān)，安培力的方向和電流元垂直、和磁場(chǎng)方向也垂直。

提問5：我們?cè)谘菔緯r(shí)不知有沒有發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線放置的位置是和磁場(chǎng)方向垂直的，如果不垂直的話，安培力的方向會(huì)不會(huì)發(fā)生變化，就不和磁場(chǎng)、電流元方向垂直了？

演示實(shí)驗(yàn)四：適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)線，使磁場(chǎng)和電流元之間的夾角不等于0°或90°，再次觀察記錄此時(shí)的安培力方向。

提問6：請(qǐng)大家再和前面的實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)合在一起討論一下，安培力和電流元方向以及磁場(chǎng)方向的關(guān)系？（結(jié)合課本）

歸納討論：雖然導(dǎo)線放置沒有和磁場(chǎng)垂直，但是安培力還是和磁場(chǎng)垂直，也和電流元方向垂直。

結(jié)論：安培力、磁場(chǎng)方向和電流方向滿足左手定則

左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感應(yīng)線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)實(shí)際體驗(yàn)物理規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心觀察能力，在記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后和同學(xué)老師一起討論總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，提高歸納能力。再用自己的語(yǔ)言描述實(shí)驗(yàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上利用課本對(duì)規(guī)律提煉也可以體驗(yàn)獲取知識(shí)的樂趣。

規(guī)律：四指→電流I;磁感線B→穿過掌心;大拇指→安培力F

安培力垂直于電流和磁場(chǎng)所在的平面。但B與I 不一定垂直。

若磁場(chǎng)和導(dǎo)線不垂直，可以讓磁感線斜穿過掌心。

例題1、如圖為一段通電導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中受力的示意圖。試確定圖A、圖B、圖C、圖D中導(dǎo)體棒所受安培力的方向，圖E中電流的方向和圖F中勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向。

設(shè)計(jì)意圖：有些圖能明顯看出導(dǎo)線和磁場(chǎng)垂直，但是C圖中雖然導(dǎo)體棒是傾斜的，但是導(dǎo)線和磁場(chǎng)仍然是垂直的，部分學(xué)生看不出來。對(duì)照A中的立體圖，可以看出B圖是它的側(cè)視圖，E圖是A的俯視圖，但是F圖看上去是A的正視圖，但是如果要在F圖中添加磁場(chǎng)方向的話，磁場(chǎng)卻不完全是A圖中的磁場(chǎng)方向，而是在oyz平面內(nèi)且與z的正方向夾角不超過±90°范圍內(nèi)。通過幾張圖的對(duì)比分析，提高空間想象能力。

練習(xí)1：請(qǐng)嘗試用左手定則判斷以下通電導(dǎo)線收到的安培力方向：

設(shè)計(jì)意圖：訓(xùn)練學(xué)生利用左手定則判斷安培力方向，三維圖形立體感強(qiáng)，雖然直觀、形象、逼真，但是學(xué)生的空間想象力還不夠，所以要加強(qiáng)三維圖形的識(shí)別和訓(xùn)練。特別是三維圖在畫受力方向時(shí)有時(shí)不如二維圖清楚、準(zhǔn)確，所以需要適當(dāng)?shù)挠脗?cè)視圖、俯視圖或剖面圖來表達(dá)。

思考：根據(jù)已經(jīng)掌握的知識(shí)分析一下電流之間的作用。（學(xué)生分析討論，請(qǐng)學(xué)生回答）

演示實(shí)驗(yàn)五：通電平行直導(dǎo)線間的作用力方向

（1）電流的方向相同時(shí)? 現(xiàn)象：兩平行導(dǎo)線相互靠近

（2）電流的方向相反時(shí)? 現(xiàn)象：兩平行導(dǎo)線相互遠(yuǎn)離

引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識(shí)進(jìn)行分析

如圖，兩根靠近的平行直導(dǎo)線通入方向相同的電流時(shí)，它們相互間的作用力的方向如何？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)分析通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力時(shí)能正確區(qū)分安培定則和左手定則。

（二）安培力大小

提問：學(xué)習(xí)了怎樣判斷安培力的方向，安培力大小如何計(jì)算？那如果導(dǎo)線和磁場(chǎng)夾角為θ呢？

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比安培力和靜電力。電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)收到的靜電力是一定的，方向和電場(chǎng)方向在同一直線上。而電流在磁場(chǎng)中收到的磁場(chǎng)力大小與電流在磁場(chǎng)中放置的位置有關(guān)（由第2節(jié)已經(jīng)學(xué)習(xí)過導(dǎo)線和磁場(chǎng)垂直時(shí)受力最大F=BIL，導(dǎo)線和磁場(chǎng)平行時(shí)F=0），方向與磁場(chǎng)方向垂直。

引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)：

把磁感應(yīng)強(qiáng)度B分解為兩個(gè)分量：

垂直 B1=Bsinθ

平行 B2=Bcosθ

平行于導(dǎo)線的分量B2不對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生作用力，通電導(dǎo)線所受作用力僅由B1決定F=IL·Bsinθ

師生共同總結(jié)：

當(dāng)導(dǎo)線⊥磁場(chǎng)時(shí)：F安=BIL當(dāng)導(dǎo)線∥磁場(chǎng)時(shí)：F安=0當(dāng)導(dǎo)線與磁場(chǎng)成任意夾角θ時(shí)：F安=BILsinθ

設(shè)計(jì)意圖：教會(huì)學(xué)生學(xué)會(huì)總結(jié)和歸納，學(xué)會(huì)從特殊到一般的思維方法。

練習(xí)2：若練習(xí)1中導(dǎo)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)、電流為I，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，求圖中導(dǎo)線所受的安培力

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步訓(xùn)練提高學(xué)生的空間想象力，能正確識(shí)別導(dǎo)線和磁場(chǎng)的角度，將立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖。題目中所給出的θ角不一定是I和B的夾角，所以可以把公式理解為F=B⊥IL

（三）安培力的應(yīng)用：磁電式電流表

自主學(xué)習(xí)：閱讀課本P93頁(yè)磁電式電流表的相關(guān)內(nèi)容，PPT展示構(gòu)造和問題，學(xué)生進(jìn)行小組式討論了解磁電式電流表的工作原理。

問題：①電流表中磁場(chǎng)分布有何特點(diǎn)？

②線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)是怎樣產(chǎn)生的？

③指針偏轉(zhuǎn)的角度和什么有關(guān)？刻度是均勻的嗎？

④怎么根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向判斷電流的方向？

設(shè)計(jì)意圖：在教師的幫助下培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)以及小組合作的能力。

三、課堂小結(jié)

1.安培力的概念：磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力

2.安培力的方向：左手定則（F⊥B和導(dǎo)線組成的平面）

3.安培力大小：F=B⊥IL

4.安培力應(yīng)用：磁電式電流表：構(gòu)造、工作原理。

【教學(xué)反思】

利用演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)心觀察，通過小組合作積極思考?xì)w納規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生的交流與合作，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)體協(xié)作精神。由于安培力、導(dǎo)線放置和磁場(chǎng)方向需建立三維空間模型，所以在總結(jié)出左手定則后要加強(qiáng)空間立體圖形的訓(xùn)練，而且在后續(xù)的學(xué)習(xí)中還要進(jìn)一步加強(qiáng)立體圖的識(shí)別以及將立體圖轉(zhuǎn)化為二維平面圖形的訓(xùn)練，為電磁感應(yīng)的學(xué)習(xí)打下力學(xué)基礎(chǔ)。在動(dòng)手嘗試過左手定則正確判斷安培力后讓學(xué)生能通過自主學(xué)習(xí)了解磁電式電流表的工作原理，也讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考，能用所學(xué)過的知識(shí)解決實(shí)際問題，培養(yǎng)發(fā)散思維。

同時(shí)本節(jié)是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的第一節(jié)課，習(xí)題與問題只要能對(duì)安培力大小和方向正確判斷就可以了，不討論導(dǎo)線還受到其他力后的平衡和加速問題。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].人民教育出版社

[2]物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書——物理·教師教學(xué)用書（選修3-1）[M].人民教育出版社

（江蘇省南京市第三高級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 210001）